电源转换与管理

电源是电子产品中的一个组成部分,为了使电路性能稳定,往往还需要稳定电源。设计者要根据产品的要求来选择合适的电源IC。为了合理地选择电源IC,首先要了解各种电源IC及其特点。

3.3.1  电源IC分类
根据不同的工作原理可将电源分成3类:线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。它们各自都有一定的特点及适用范围。

1.线性稳压电源
线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般来说,线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差(一般称为压差)大,调整管上的损耗大,效率低。但近年来开发出的各种低压差(LDO)的新型线性稳压器IC,在输出100mA电流时,其压差在100mV左右(甚至于到70mV~80mV),某些小电流的低压差线性稳压器其压差甚至仅几十毫伏。这样,其调整管的损耗较小,效率也有较大的提高,因此可减少功耗。另外,线性稳压电源外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小,价格也便宜。

2.开关稳压电源
在便携式电子产品中,开关稳压电源主要是指DC/DC变换器。由于其器件中有一个工作在开关状态的晶体管(一般是MOSFET),故称为开关电源。开关管工作于饱和导通及截止两种状态,所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关,效率较高(一般可达80%~95%),可以输出大电流,静态电流小。随着集成度的提高,许多新型DC/DC变换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大,成本相对较高。

DC/DC变换器IC包括升压式(VOUT>VIN)、降压式(VOUT<VIN)和反相式(也叫电压反转式)等电路。降压式主要用于工作电流大于1A的场合,如笔记本式计算机等。反相式DC/DC变换器的特点是可以获得负电压,并且可获得大于输入电压的负压,即|-VOUT|>VIN,可输出较大的电流。但采用电荷泵电路来获得负压更为简单,并且它有带线性稳压输出的电荷泵IC,所以电压反转式DC/DC变换器也很少用。

3.电荷泵电源
电荷泵的工作原理是利用高频振荡器控制电容的充/放电,将能量由输入传给负载(输出),其特点是体积小,电路结构简单,可产生输入的反相或倍压输出。基本的电荷泵电路的成本较低,它的优点是无须电感,只需要几个外接电容器,因而体积较小,并且效率高达95%。由于开关不停地动作,所以产生的噪声比较大,静态电流也比较大。另外,这种电路的输出电压只能取输入电压的倍数,例如,用4个内部开关和一个外接电容器就能够产生2VIN、1/2VIN或-VIN的输出。使用几个这样的充电泵可以得到其他倍数的输出电压,然而其成本和静态电流也会增加。所以,在传统的设计中,很少把电荷泵直接接到电源上,而是把它接在稳压器后面,用它产生辅助电源,为某一个器件供电。

3.3.2  电源IC的特点
由上节可见,电源IC种类繁多,它们的共同特点如下。

1.工作电压低
一般的工作电压为3.0V~3.6V。有一些工作电压更低,如2.0V、2.5V、2.7V等;也有一些工作电压为5V,还有少数12V或28V的特殊用途的电压源。

2.工作电流不大
从几毫安到几安都有,但由于大多数嵌入式电子产品的工作电流小于300mA,所以30mA~300mA的电源IC在品种及数量上占较大的比例。

3.封装尺寸小
近年来发展的便携式产品都采用贴片式器件,电源IC也不例外,主要有SO封装、SOT-23封装、μMAX封装和封装尺寸最小的SC-70及{zx1}的SMD封装等,使电源占的空间越来越小。

4.完善的保护措施
新型电源IC有完善的保护措施,这包括输出过流限制、过热保护、短路保护及电池极性接反保护,使电源工作安全可靠,不易损坏。

5.耗电小及关闭电源功能
新型电源IC的静态电流都较小,一般为几十微安到几百微安。个别微功耗的线性稳压器其静态电流仅3.1μA。另外,不少电源IC有关闭电源控制端功能(用电平来控制),在关闭电源状态的IC自身耗电在1μA左右。它可使一部分电路不工作,从而大大节省了电能。例如,在无线通信设备上,在发送状态时可关闭接收电路,在未接收到信号时可关闭显示电路等。

6.有电源工作状态信号输出
在不少便携式电子产品中都配置有单片机,当电源因过热或电池低电压而使输出电压下降一定百分数时,电源IC会有一个电源工作状态信号输给单片机,使单片机复位,这个信号也可以作为电源工作状态指示(当电池低电压时,有LED显示)。

7.输出电压精度高
一般的输出电压精度为±2%~4%之间,有不少新型电源IC 的精度可达±0.5%~±1%,并且输出电压温度系数较小,一般为±0.3mV/℃~±0.5mV/℃,而有一些可达到±0.1mV/ ℃的水平。线性调整率一般为0.05%/V~0.1%/V,有的可达0.01%/V;负载调整率一般为0.3%/mA~0.5%/mA,有的可达0.01%/mA。

8.新型组合式电源IC
升压式DC/DC变换器的效率高,但纹波及噪声电压较大,低压差线性稳压器效率低,但噪声最小,这两者结合组成的双输出电源IC可较好地解决效率及噪声的问题。例如,在数字电路部分采用升压式DC/DC变换器电源而对噪声敏感的电路采用LDO电源,这种电源IC有MAX710/711、MAX1705/1706等。另一个例子是电荷泵+LDO组成,输出稳压的电荷泵电源IC,例如MAX868,它可输出0~-2VIN可调的稳定电压,并可提供30mA 电流;MAX1673稳压型电荷泵电源IC也可输出与VIN相同的负压,并且输出电流可达125mA。

3.3.3  电源IC选用指南
选择电源IC不仅要考虑满足电路性能的要求及可靠性,还要考虑它的体积、重量及成本等问题。这里给出一些选择基本原则,以供参考。

1.优先考虑升压式DC/DC变换器
采用升压式DC/DC变换器不仅效率高,而且可减少功耗(减小整个电源体积及减轻重量)。例如MAX1674/1675高效率、低功耗升压式DC/DC变换器IC,其静态电流仅16μA,在输出200mA时效率可达94%,在关闭电源时耗电仅0.1μA,并可选择电流限制来降低纹波电压。

2.采用LDO的{zj0}条件
当要求输出电压中纹波、噪声特别小,输入、输出电压差不大,并且输出电流不大于100mA时,采用微功耗、低压差(LDO)线性稳压器是最合适的。例如,采用3节镍镉、镍氢电池或采用1节锂离子电池,当输出3.0V~3.3V电压,工作电流小于100mA时,电池寿命较长,并且有较高的效率。

3.需负电源时尽量采用电荷泵
在便携式仪器中往往需要负电源,由于所需电流不大,所以采用电荷泵IC组成电压反转电路最为简单。若要求噪声小或要求输出稳压,可采用带LDO线性稳压器的电荷泵IC。例如,MAX1680/1681输出电流可达125mA,采用1MHz开关频率,仅需外接两个1μF小电容,输出阻抗3.5Ω,有关闭电源控制功能(关闭时耗电仅1μA),并可组成倍压电路;另一种带稳压输出的电荷泵IC MAX868,它输出可调(0~-2×VIN),外接两个0.1μF电容,消耗35μA电源电流,可输出30mA稳压的电流,有关闭电源控制功能(关闭时耗电仅0.1μA),小尺寸μMAX封装。

4.不要追求高精度、功能全的{zx1}器件
电源IC的精度一般为±2%~±4%,高的可达±0.5%~±1%。要根据电路的要求选择合适的精度,这样可降低生产成本。功能较全的器件价格较高,所以不需要关闭电源功能的或产品中无微处理器(μP)或微控制器(μC)的,则无须选择带关闭电源功能或输出电源工作状态信号的器件,这样不仅可降低成本,而且其尺寸更小。

5.不要“大马拉小车”
电源IC最主要的3个参数是输入电压VIN、输出电压VOUT及{zd0}输出电流Iomax。可根据产品的工作电流来选择:较合适的是工作电流{zd0}值为电源IC{zd0}输出电流Iomax的70%~90%。例如{zd0}输出电流Iomax为1A的升压式DC/DC变换器IC可用于工作电流在700mA~900mA的场合,而当工作于20mA~30mA时,其效率则较低。如果产品有轻负载或重负载时,{zh0}选择PFM/PWM自动转换升压式DC/DC 变换器,这不仅在轻负载时采用PFM方式耗电较小,而且正常负载时为PWM方式的效率也高,这种电源IC有TC120、MAX1205/1706等。

6.输出电流大时应采用降压式DC/DC变换器
便携式电子产品大部分工作电流在300mA以下,并且大部分采用5#镍镉、镍氢电池,若采用1~2节电池,升压到3.3V或5V并要求输出500mA 以上电流时,将会使得电池寿命不长或两次充电间隔时间太短,造成使用不便。这时可采用降压式DC/DC变换器,其效率与升压式差不多,但电池的寿命或充电间隔时间要长得多。

7.DC/DC变换器中L、C、D的选择
电感L、输出电容C及续流二极管或隔离二极管D的选择十分重要。电感L要满足在开关电流峰值时不饱和的条件(开关峰值电流要大于输出电流的3~4倍),并且要选择合适的磁心以满足开关频率的要求及选择直流电阻小的,以减少损耗。电容应选择等效串联电阻小的电解电容(LOW ESR),以降低输出纹波电压,可采用三洋公司的有机半导体铝固体电解电容(一般为几十至几百毫欧)。二极管必须采用肖特基二极管,并且要以满足大于峰值电流为要求。

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